A refração da luz na educação do ensino básico: a lâmpada solar de garrafa Teach article

Traduzido por Paulo André e Maria Rute Ferreira. Há mais de 10 anos, um inventivo habitante de uma favela descobriu que poderia produzir luz sem eletricidade. Agora por todo o mundo, as lâmpadas solares de garrafa estão disseminadas.

Imagem cortesia de Africa
Studio/shutterstock

Em 2002, o mecânico brasileiro Alfredo Moser surgeriu como forma de iluminar a sua casa, durante o dia, sem utilização de eletricidade. A solução encontrada por Moser requer, apenas, uma garrafa de plástico cheia de água. Esta inovação, que utiliza o fenómeno da refração, já se espalhou por todo o mundo e espera-se que ilumine mais de 1 milhão de casas este ano.

Muitos professores têm receio de introduzir tópicos de física nas escolas do ensino básico (1º ciclo), no entanto, apesar de os alunos poderem não ser capazes de reconhecer o fenómeno de refração da luz, muitos já terão visto como uma palhinha parece dobrar, quando parcialmente imersa em água. Este artigo visa fornecer uma base teórica para a refração da luz e ilustra como a lâmpada solar pode ser usada em ambiente de sala de aula para demonstrar o fenómeno.

Refração

Figura 1: Desvio de um raio
de luz ao entrar num meio
com índice de refração
elevado.

Imagem cortesia de Stephanie
Ohlberger

Recorrendo, de novo, ao exemplo de uma palhinha parcialmente imersa num copo de água, esta parece estar dobrada ou quebrada. Tal acontece porque a água é oticamente mais densa do que o ar, logo a luz viaja mais lentamente na água do que no ar. Esta variação na velocidade, altera a direção de propagação da luz, quando passa de uma substância para outra. Este fenómeno designa-se por refração. Na refração, dois parâmetros são importantes, nomeadamente, o ângulo com que a luz atinge a interface entre os dois materiais, designado por ângulo de incidência, e uma propriedade específica de cada um dos dois materiais envolvidos, ou seja, o índice de refração. De um modo geral, os materiais mais densos têm valores superiores para o índice de refração, pois a velocidade de propagação da luz é inferior para estes casos.

Figura 2: Desvio de um raio
de luz ao entrar num meio
com índice de refração
reduzido.

Imagem cortesia de Stephanie
Ohlberger

Consideremos um carro que viaja rapidamente na estrada mas que diminui a sua velocidade quando a condução ocorre num terreno enlameado. A refração não ocorre quando os raios de luz incidem perpendicularmente na interface entre dois meios transparentes, tal como um carro que entra perpendicularmente num campo enlameado, reduz a sua velocidade, mas mantem-se a direção. No entanto, se entrarmos no campo enlameado com um ângulo, as rodas que atingirem primeiro a lama serão abrandadas e o carro irá virar. De um modo similar, se os raios de luz atingirem a superfície com um ângulo, irão mudar a direção de propagação. A alteração de direção depende dos índices de refração dos dois meios envolvidos (figuras 1 e 2).

O fenómeno da refração da luz pode ser facilmente demonstrado, na sala de aula, com algumas experiências introdutórias.

 

 Lei da refração de Snell

Em física, a lei de Snell é usada para descrever a refração e as suas propriedades. A lei de Snell determina que a velocidade da luz incidente dividida pelo seno do ângulo de incidência é igual à velocidade da luz refratada dividida pelo seno do ângulo da luz refratada, (v1/(sinθ1)) = (v2/sinθ2 ). Isto significa que, quando a luz passa de uma substância de baixa densidade ótica para uma substância de maior densidade ótica, a velocidade da luz diminui e o raio de luz é dobrado na direção perpendicular à interface entre os dois meios. Isto é o que acontece, quando um feixe de luz no ar entra na água. No caso oposto, quando um raio de luz que entra num meio com um índice mais baixo, por exemplo vindo de água para o ar, afasta-se da direção perpendicular à interface.

A lei de Snell pode, também, ser escrita em termos do índice de refração ou em função da densidade de um meio. O índice de refração, n, de um meio é definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo, c, e a velocidade, v, de propagação no meio, n=c/v. Isto também significa que a lei de Snell pode ser descrita da seguinte forma sinθ1 n1 = sinθ2 n2.

Como a velocidade da luz no vácuo é sempre 3 x 108 ms-1, é fácil calcular o índice de refração de um meio, sabendo a velocidade da luz, nesse meio particular. Em termos práticos, materiais mais densos têm índices de refração mais elevados.

 

A caixa de sapatos

O tema da refração da luz pode ser introduzido, recorrendo à discussão de como uma palhinha, ou um lápis, imersos num copo com água aparentam estar quebrados, quando vistos lateralmente, o que é uma boa base para a evolução de questões relativas a este tema. As leis teóricas de refração podem ser demonstradas, através da construção de uma experiência simples, utilizando uma caixa de sapatos. A experiência deve ser concretizada em grupos de dois ou três elementos. Dependendo da idade dos alunos e do tempo da aula, o professor, também, pode preparar as caixas de sapatos com antecedência, a fim de encurtar o tempo dedicado à preparação, em sala de aula.

Como explicado no documento disponível na secção de referências w1, são necessários uma lanterna, uma caixa de sapatos, uma faca artesanal e um copo de água. Corte, cuidadosamente, duas fendas verticais na extremidade mais pequena da caixa de sapatos. O espaço entre as fendas não deve ser maior do que o copo de vidro. Escureça o ambiente e ilumine as fendas com a lanterna e verá dois feixes luminosos paralelos. Coloque, agora, o copo com água dentro da caixa, próximo das duas fendas e observará que os feixes luminosos deixam de ser paralelos e que se cruzam. Este é o resultado da velocidade daa luz ter sido retardada na água que apresenta uma densidade ótica maior do que a do ar. De acordo com a lei da refração, o ângulo com que a luz é desviada é menor em relação ao ângulo normal da interface do copo com o ar e, assim, os dois raios de luz, eventualmente, cruzam-se.

 

A lâmpada solar

Após a demonstração do princípio de refração, pode-se demonstrar como a lâmpada solar de garrafa, explora este princípio, permitindo iluminar compartimentos com uma luminosidade equivalente à de uma lâmpada incandescente de 50-60 Watt. Com apenas uma garrafa de plástico cheia de água, é possível iluminar quartos e cabanas. Este conceito original de Moser tem sido desenvolvido por organizações não governamentais para iluminar, de uma forma sustentável, acessível e sem recurso a eletricidade, comunidades na África, Filipinas, Índia e outros países do Sudeste Asiático w2. No ambiente de sala de aula são necessários cerca de 10 minutos para criar uma versão da garrafa solar.

Materials

  • Cartão
  • Tesoura
  • Molde circular
  • Garrafa de plástico grande (1 ou 2 l)
  • Água
  • Caixa de cartão grande
  • Lanterna

Procedimento

  1. Corte um buraco no topo da caixa de cartão: deverá ser suficientemente grande para que a garrafa possa passar por ele. Em seguida, corte uma abertura semelhante a uma janela no lado da caixa, de modo que possa ver através dela.
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

  2. Corte no cartão um quadrado com 15 cm x 15 cm.
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

  3. Desenhe, com um lápis, dois círculos concêntricos no meio do quadrado.
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

  4. Remova o círculo interior.
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

  5. Corte radialmente, em intervalos regulares, do círculo interno para o externo e dobre essas peças para cima.
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

  6. Coloque o buraco feito no cartão sobre o gargalo da garrafa e encha-a com água.
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

  7. Coloque a Garrafa Solar no buraco do teto da réplica da cabana e acenda uma lanterna no gargalo.
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

  8. Observe a lâmpada solar de garrafa através da abertura lateral
    Imagem cortesia de Stephanie Ohlberger

O que acontece

A lâmpada solar de garrafa baseia-se no princípio da refração. A luz da lanterna passa de um meio de menor índice de refração (ar) para um meio de maior índice de refração (água) e os raios de luz desviam-se dentro da água, pelo que quando a luz sai da garrafa espalha-se por toda a sala. Para que tal aconteça, o gargalo tem de estar fixo por fora do telhado, enquanto que a difusão dos raios de luz desviados é realizada pela parte principal da garrafa, que está pendurada no teto (Figura 3), como uma lâmpada. A grande vantagem desta possibilidade de iluminação é a sustentabilidade e segurança. Não há riscos de incêndio com este tipo de “lâmpada” e são baratas de contruir e instalar. Na prática, é adicionado Cloro à água para a manter limpa e livre de algas e micróbios, e as lâmpadas são seladas nos telhados de forma herméticaw3. Há vários vídeos na internet que mostram como são implementadas, usando materiais adequadosw4.

 

Figura 3: Refração dos raios
de luz na garrafa dentro da
réplica da cabana.

Imagem cortesia de Stephanie
Ohlberger

Questões de acompanhamento

Dependendo da idade dos alunos, a experiência da lâmpada solar poderia ser parte de um projeto interdisciplinar maior sobre os problemas dos países em desenvolvimento, em comparação com as próprias experiências do estudante. Depois de verem a lâmpada em funcionamento, os alunos devem perceber quão grande é este avanço para as pessoas sem acesso a uma fonte segura de eletricidade. A fim de comparar a versão elétrica com este meio de produção de luz, os alunos podem medir os diferentes níveis de iluminação. A situação social das pessoas afetadas, também, poderia tornar-se o foco de atenção e ser usado como um ponto de partida para um projeto da escola para angariar fundos e espalhar lâmpadas de garrafa solares em regiões desfavorecidas.

Conclusões

A lâmpada solar é uma solução inovadora para o problema de iluminação das casas e fornece uma demonstração simples da física, ajudando na motivação dos alunos para esta temática. Este tópico fornece, também, uma excelente oportunidade para o trabalho interdisciplinar. Ao longo da experiência, os alunos podem praticar o trabalho em equipa e da atribuição de responsabilidades, aumentando assim as suas capacidades sociais. Além do foco no conteúdo, a ênfase das aulas, também, pode ser colocada sobre o método científico, com a introdução de protocolos de teste, o que será benéfico para o trabalho futuro em outras disciplinas de ciências. A abordagem de incluir a lâmpada solar em garrafa no ensino já foi implementada em muitas escolas como parte de projetos baseados na luz ou energias alternativas, dando aos seus alunos a oportunidade de experimentar a refração da luz, a partir de um ponto de vista prático.

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Web References

  • w1 – Descarregue as instruções detalhadas, em Word ou em Pdf para a produção da experiência com a caixa sapatos.
  • w2 – O Sitio da Myshelter Foundation proporciona uma boa perspetiva global do uso de lâmpadas solares de garrafa.
  • w3 – Visualize passo-a-passo o guia sobre a realização de uma lâmpada solar de garrafa.
  • w4 – Observe um vídeo curto sobre a construção de uma lâmpada solar de garrafa.

Resources

  • sobre a construção de uma lâmpada solar de garrafa:
  • Para mais informações de suporte sobre ótica e a física da luz, consulte:
    • Hecht, E. (2002). Optics (4th ed.). San Francisco: Addison-Wesley.
    • Waldman, G. (2002). Introduction to Light: The Physics of Light, Vision and Color. New York: Dover Publications.
  • Para informações genéricas sobre ciência, consulte:
    • Taylor, C. (2000). The Kingfisher Science Encyclopedia. London: Kingfisher.

Author(s)

A Dra. Claas Wegner é professor dos cursos de Biologia e Educação Física numa escola secundária e é docente na Universidade de Bielefeld no Departamento de Didática da Biologia

Stephanie Ohlberger é estudante no mestrado em Educação em Biologia e Inglês para ensino o ensino. Ela é assistente no Departamento de Didática da Biologia da Universidade de Bielefeld.


Review

O artigo centra-se sobre o importante tema da refração de luz. As crianças podem estar cientes de que uma palhinha parece dobrar quando entra num copo de água, mas é-lhes difícil imaginar que, na realidade, é a luz que se desvia e não a palhinha. A experiência da caixa de sapatos poderá ser muito útil para ajudar a visualizar o desvio dos raios de luz.

A ideia de uma lâmpada solar pode ser apelativa para crianças mais pequenas. Pode ser usada como a base para uma discussão sobre as suas possíveis aplicações no quotidiano. Em que salas ou áreas da casa, podem estas lâmpadas ser usadas? Os alunos podem ser envolvidos na discussão sobre as vantagens e desvantagens de usar tal sistema em casa. Pode-se discutir o uso da lâmpada solar, no contexto do desenvolvimento de prédios sustentáveis, reduzindo a nossa dependência da eletricidade e, ainda, seu valor económico.

Os professores podem facilmente adaptar este conceito a um projeto escolar, no qual os alunos investigam a viabilidade e o valor da introdução de tal sistema em casa ou na comunidade em geral. Embora o artigo esteja dirigido principalmente para professores primários, também professores de ciências e de física das escolas secundárias devem considerá-lo útil ao introduzir o conceito de refração.


Paul Xuereb, Malta




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